Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Давайте представим себе особый вид новых частиц – «слабо взаимодействующие массивные частицы» или, как их называют, – WIMPS, по-русски вимпы. (Космологи становятся необыкновенно остроумными, когда дело доходит до изобретения новых имен[13].) Под «слабо взаимодействующими» мы подразумеваем не то, что они «взаимодействуют не очень сильно», а то, что они чувствуют слабые взаимодействия. Для простоты будем считать, что вимп имеет массу, сопоставимую с массами других частиц, участвующих в слабых взаимодействиях, например W– и Z-бозонов или бозона Хиггса, то есть примерно 100 ГэВ или по крайней мере в интервале от 10 до 1000 ГэВ. Этого достаточно для весьма грубых прикидок, а чтобы понять лучше, как взаимодействуют частицы, нужно проводить высокоточных расчеты.

После этого мы сравним получающийся из расчетов избыток таких вимпов с реальной массой темной материи. Поразительный результат: мы получаем значение, отлично совпадающее с наблюдениями! В этом расчете есть некоторые свободные параметры, связанные как с тем, что могут существовать другие частицы, так и с конкретным способом, которым вимпы могут аннигилировать, но и при таком грубом полходе полученное совпадение поражает: оценка избытка стабильных частиц в реликтовом излучении, подверженных слабым взаимодействиям, в принципе соответствует реальной величине массы темной материи.

Это интересное совпадение известно как «чудо-вимпы», и оно дало многим физикам надежду, что секрет темной материи заключается в новых частицах с массами и взаимодействиями, похожими на соответствующие свойства W– и Z-бозонов и бозона Хиггса. Все эти бозоны, конечно, быстро распадаются, и у вимпов должны быть хорошие причины, чтобы в отличие от них быть стабильными, но их, эти причины, не трудно придумать. Есть много других правдоподобных версий состава темной материи – в том числе из частиц под названием «аксион», придуманных Стивеном Вайнбергом и Фрэнком Вильчеком, – очень легких кузенов бозона Хиггса. Но на сегодняшний день модель вимпов является самой популярной.

Если темная материя состоит из вимпов, то перед учеными открываются некоторые очень интересные экспериментальные возможности, поскольку бозон Хиггса должен взаимодействовать с этими частицами. Во многих правдоподобных моделях темной материи, состоящей из вимпов, самое сильное взаимодействие между темной материей и обычным веществом осуществляется путем обмена бозонами Хиггса. Хиггс может быть связующим звеном между нашим миром и темной материей, составляющей большую часть материи во Вселенной.

Оказывается, что взаимодействие через обмен бозонами Хиггса используется во многих физических теориях, выходящих за рамки Стандартной модели. В них имеется целый букет новых частиц, образующих так называемый «скрытый сектор», и все они не очень охотно взаимодействуют с известными нам частицами. Такое впечатление, что из всех известных фермионов и калибровочных бозонов самый общительный – бозон Хиггса, то есть он взаимодействует с новыми частицами чаще всех. Именно в этом смысле открытие бозона Хиггса является одновременно и завершением одного грандиозного проекта – создания Стандартной модели, и запуском следующего – поиска скрытых миров за рамками этой модели. Франк Вильчек и его сотрудник Брайан Патт окрестили эту возможность «Порталом Хиггса» между Стандартной моделью и скрытыми секторами материи.

Когда мы обсуждали поимку хиггсовского бозона в главе 9, я обратил внимание на распад этой частицы на два фотона, проходящий через промежуточную стадию – образование виртуальных частиц. Фактическая вероятность такого процесса зависит от всех различных частиц, которые могут появиться в этой петле, – то есть частиц, которые взаимодействуют как с Хиггсом, так и с фотонами. В самой Стандартной модели эту вероятность можно однозначно определить, зная массу бозона Хиггса. И если мы точно измерим скорость этого распада и обнаружим, что он протекает с большей вероятностью, чем мы считали, это послужит серьезным намеком на существование новых частиц, даже если мы не сможем увидеть их непосредственно. Данные, полученные на БАКе в 2011-м и начале 2012 года, содержат намеки на то, что рождалось больше фотонов, чем предсказывает Стандартная модель, хотя это различие не очень значительно. Но, безусловно, эти процессы нужно будет тщательно проанализировать, когда соберется больше данных.

Фейнмановская диаграмма, изображающая частицу темной материи, рассеивающейся на кварке с помощью обмена бозоном Хиггса.

В теории вимпов темная материя разбросана везде, она вокруг нас, даже там, где вы сейчас находитесь. Считается, что примерно одна частица темной материи приходится на объем пространства размером с чашку кофе. Но частицы движутся достаточно быстро – как правило, со скоростью сотни километров в секунду. В результате миллиарды вимпов пронизывают наше тело каждую секунду. Поскольку они с нами очень слабо взаимодействуют, мы их не замечаем. Но хотя эти взаимодействия малы, они не равны нулю. Вимп может врезаться в один из кварков, содержащихся внутри нашего тела в протонах и нейтронах, и обменяться с ним бозонами Хиггса. Физики Кэтрин Фриз и Кристофер Сэвидж подсчитали, что каждый год около десяти частиц темной материи взаимодействует с атомами среднестатистического человеческого тела. Последствия каждого отдельного взаимодействия пренебрежимо малы, так что не волнуйтесь – от темной материи у вас живот не заболит.

Но зато мы можем использовать этот вид взаимодействия, чтобы найти темную материю. И так же как на БАКе, важнейшей проблемой будет выделение сигнала на фоне шума. Действительно, частицы темной материи – не единственные, которые могут врезаться в ядра: радиоактивное излучение и космические лучи занимаются этим все время. Поэтому физики спускаются глубоко под землю – в шахты и специально построенные объекты и стараются защититься от этого фона. Они создали специальные детекторы, терпеливо поджидающие слабые сигналы, которые возникают при взаимодействии частиц темной материи с ядром. Наиболее популярны два типа детекторов – криогенный (где регистрируется тепло, выделяемое при столкновении гипотетических частиц темной материи с атомными ядрами в низкотемпературных кристаллах) и детектор на базе сжиженного благородного газа (где регистрируется свет, излученный при сцинтилляциях, возникающих при взаимодействиях частиц темной материи с жидким ксеноном или аргоном).

Стратегия поиска взаимодействий с частицами окружающей темной материи, при которой детекторы устанавливаются глубоко под землей, называется «методом прямого обнаружения». Это сегодня – передний край науки. В серии экспериментов некоторые из имевшихся моделей уже были забракованы. Зная массу бозона Хиггса, ученые сумеют связать предсказанные теоретические свойства вимпов со следами частиц, которые, возможно, увидят в этих экспериментах. При высочайшей чувствительности детекторов, к тому же все время быстро растущей, мы уже в течение ближайших пяти лет наверняка обнаружим темную материю. Однако очень может быть, что мы ее и не обнаружим – природа любит преподносить нам сюрпризы.